NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CÁC YẾU TỐ TIỂU KHÍ HẬU TRONG HỆ THỐNG NHÀ KÍNH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH --- NGUYỄN VĂN HIẾU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CÁC YẾU TỐ TIỂU KHÍ HẬ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

-

NGUYỄN VĂN HIẾU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

CÁC YẾU TỐ TIỂU KHÍ HẬU TRONG

HỆ THỐNG NHÀ KÍNH

Thành Phố Hồ Chí Minh, Tháng 12/2010

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

-

NGUYỄN VĂN HIẾU

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Khí

Mã số : 60 52 14

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT

Hướng dẫn khoa học :

TS NGUYỄN VĂN HÙNG

Thành Phố Hồ Chí Minh, tháng 12/2010

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

CÁC YẾU TỐ TIỂU KHÍ HẬU TRONG

HỆ THỐNG NHÀ KÍNH

i

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CÁC YẾU TỐ

TIỂU KHÍ HẬU TRONG HỆ THỐNG NHÀ KÍNH

NGUYỄN VĂN HIẾU

Hội đồng chấm luận văn:

1 Chủ tịch: TS NGUYỄN NHƯ NAM

Đại học Nông Lâm TP HCM

2 Thư ký: TS BÙI NGỌC HÙNG

Đại học Nông Lâm TP HCM

3 Phản biện 1: TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG

Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM

4 Phản biện 2: PGS TS TRẦN THỊ THANH

Đại học Nông Lâm TP HCM

5 Uỷ viên: TS NGUYỄN VĂN HÙNG

Đại học Nông Lâm TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

HIỆU TRƯỞNG

Tốt nghiệp Đại học Ngành Cơ khí Chế tạo máy, hệ tại chức, tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành Phố Hồ Chí Minh năm 2003

Sau đó làm việc tại Trường Cao đẳng Cộng đồng Tiền Giang nay là Đại học Tiền Giang, chức vụ Giảng viên

Tháng 09 năm 2008 theo học Cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí tại Trường Đại học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh, khu phố 6, phường Linh Trung, quận Thủ Đức, thành phố Hồ Chí Minh

Tình trạng gia đình: Vợ Phạm Đỗ Liên Minh kết hôn năm 2000, các con Nguyễn Hoàng Minh Long sinh năm 2000, Nguyễn Hoàng Thanh Thảo sinh năm

2008

Địa chỉ liên lạc: Khoa Kỹ thuật Công nghiệp trường Đại học Tiền Giang, số

119 Ấp Bắc, Phường 5, Thành phố Mỹ tho, Tiền Giang

Điện thoại: 073 3872 626; 0913 730 663

Email : nguyenvanhieu@tgu.edu.vn

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Hiếu

iv

CẢM TẠ

Để hoàn thành luận văn thạc sĩ này tôi xin chân thành bày tỏ lòng kính trọng

và biết ơn sâu sắc đến:

Thầy TS Nguyễn Văn Hùng, Trưởng bộ môn Cơ điện tử Trường Đại học Nông lâm thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và động viên tôi thực hiện luận văn này

Ban Giám hiệu, Phòng sau Đại học, Cô PGS.TS Trần Thị Thanh, Chủ nhiệm Khoa và tập thể Giảng viên của Khoa Cơ khí - Công nghệ, Trường Đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quí báu và tạo mọi điều kiện tốt nhất trong quá trình học Cao học cũng như thực hiện luận văn

Ban Giám hiệu, Khoa Kỹ thuật, Bộ môn Cơ khí trường Đại học Tiền Giang đã tạo điều kiện thuận lợi và sắp xếp thời gian cho tôi hoàn thành luận văn

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn:

Anh Đào Duy Vinh và Cô Trần Thị Kim Ngà Bộ môn Cơ điện tử, khoa Cơ khí

- Công nghệ, trường Đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh đã giúp đỡ tôi trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển PLC

Thầy Nguyễn Hoàng Vũ và Trần Quốc Cường Bộ môn Điện-Điện tử trường Đại học Tiền Giang đã giúp đỡ tôi trong quá trình thiết kế mạch giao tiếp với Matlab

Các bạn học, các bạn đồng nghiệp đã phối hợp, giúp đỡ trong quá trình tôi thực hiện luận văn

Vợ tôi luôn chia sẽ, gánh vác trách nhiệm gia đình và động viên tôi hoàn thành chương trình học Cao học

v

Và cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bậc sinh thành đã sinh thành, nuôi dưỡng và giáo dục để tôi có được ngày hôm nay

vi

TÓM TẮT

Đề tài “Nghiên cứu mô phỏng và điều khiển tự động các yếu tố tiểu khí hậu trong hệ thống nhà kính” được tiến hành tại Khoa Cơ khí – Công nghệ, Trường Đại học Nông lâm Thành phố Hồ Chí Minh thời gian từ tháng 04 năm 2010 đến tháng 12 năm 2010 với kết quả được tóm tắt như sau

Đã thiết kế 1 mô hình nhà kính dùng trong khảo nghiệm điều khiển tự động ứng dụng PLC S7-200 giám sát trên WinCC và mô phỏng nhiệt độ và ẩm độ trong nhà kính bằng matlab

Kết quả khảo nghiệm so sánh các giải pháp làm mát cho thấy khi nhiệt độ trong những ngày nóng bức sáng từ 8 - 9 giờ và chiều từ 3 – 4 giờ khi mà bức xạ mặt trời thấp chỉ cần thông thoáng tự nhiên và lưới cắt nắng thì nhiệt bên trong nhà kính đảm bảo cho cây trồng phát triển tốt Khi nắng nóng từ 10 giờ đến 15 giờ và bức xạ mặt trời cao sử dụng 2 giải pháp cooling pad và phun sương Ẩm độ không vượt quá 90 % không gây hại cho cây trồng Ngoài ra khi nhiệt độ môi trường xuống thấp trong những ngày có khí hậu lạnh, mô hình nhờ có màng che phủ và đóng cửa thông thoáng nên nhiệt độ bên trong nhà kính ấm lên từ 2 đến 30C và ẩm

độ ≤ 90%

vii

ABSTRACT

Thesis “STUDY ON SIMULATION AND CONTROL OF THE CLIMATE FACTORS IN GREENHOUSE” was done at the Department of Mechatronics, Nong Lam University of Ho Chi Minh city from april 2010 to december 2010 with summary result as below

Automation is one of the best methods to increase capacity and quality for production and even in agricultural production Greenhouse in Vietnam has been expanding quickly to meet the demand of high quality agricultural production

A model of greenhouse automaic controlled the climate factors was designed and manufactured at the faculty of Engineering, Nong Lam University to investigae the response controlling abilities Besides, a program was built by Matlab to stimulate these parameters

Three cooling solutions designed and tested include ventilated roof – cum - fan ventilation, cooling pad, and fogging Outside temperature in Hochiminh city was rather high and increased at the highest level of about 330C – 350C The cooling method of ventilation roof and fan induced the inside temperature decreasing about 1,50C, cooling pad induced the inside temperature decreasing about 40C, and foging induced the inside temperature decreasing about 50C Outside relative humidity at the experimental time in Hochiminh city was highest at about 75% This parameter almost was not changed by the cooling method of ventilation roof and fan The cooling pad induced the inside relative humidity increasing at the highest level of 80% and foging induced the inside relative humidity increasing at the highest level

of 85% These highest levels of relative humidity could be accepted for greenhouse growing

viii

MỤC LỤC

TRANG

Trang chuẩn y ……….i

Lý lịch cá nhân ……… ii

Lời cam đoan ………iii

Cảm tạ ……… iv

Tóm tắt ……… v

Tóm tắt tiếng anh ……… vi

Mục lục ………vii

Danh sách các bảng ……….xii

Danh sách các hình ……….xiii

Danh sách liệt kê các ký hiệu ………xvii

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 Dẫn nhập 1

1.2 Mục tiêu đề tài 2

2 TỔNG QUAN 3

2.1 Các kiểu cấu trúc bảo vệ 3

2.1.1 Nhà kính (Green houses) 3

2.1.2 Nhà nhựa Plastic (Plastic houses) 4

2.1.3 Nhà lưới (Screen houses) 4

ix

2.2 Cấu trúc nhà kính 5

2.3 Yêu cầu các tiểu khí hậu trong nhà kính 7

2.4 Phương pháp thông thoáng trong nhà kính 17

2.5 Một số nghiên cứu nhà lưới, nhà kính 19

2.6 Một số nghiên cứu điều khiển tự động trong hệ thống nhà lưới nhà kính 28

♦Nhận xét và đề xuất phạm vi thực hiện đề tài 30

3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31

3.1 Nội dung nghiên cứu 31

3.2 Đối tượng nghiên cứu 31

3.3 Phương pháp nghiên cứu 31

3.3.1 Phương pháp tiếp cận 31

3.3.2 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 32

3.3.3 Phương pháp thiết kế phần điều khiển tự động bằng PLC 32

3.4 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 36

3.4.1 Phương tiện thực nghiệm 36

3.4.2 Phương pháp đo 40

4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 41

4.1 Thiết kế các cơ cấu điều khiển yếu tố tiểu khí hậu bên trong nhà kính như nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng của mô hình nhà kính 41

4.1.1 Cơ cấu điều khiển cửa thông thoáng 42

4.1.2 Cơ cấu điều khiển bộ phận chắn sáng 43

x

4.1.3 Thiết kế điều khiển bộ phận phun sương 44

4.1.4 Thiết kế bộ phận làm mát bằng Cooling pad 46

4.2 Thiết kế điều khiển tự động PLC S7-200 và được giám sát trên winCC 47

4.2.1 Sơ đồ khối điều khiển PLC được giám sát trên phần mềm WinCC 47

4.2.2 Sơ đồ khối điều khiển PLC 47

4.2.3 Chương trình giám sát và điều khiển tự động trên WinCC 50

4.3 Thiết bị và chương trình mô phỏng các yếu tố tiểu khí hậu trong nhà kính 52

4.3.1 Sơ đồ khối 52

4.3.2 Biểu diễn nhiệt độ, ẩm độ trong nhà kính phụ thuộc nhiệt độ và ẩm độ môi

trường trên matlab 53

4.3.3 Biểu diễn bề mặt các thông số tiểu khí hậu trong nhà kính 55

4.4 Kết quả khảo nghiệm so sánh các giải pháp làm mát ảnh hưởng đến nhiệt độ và ẩm độ ngoài nhà kính 57

5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62

5.1Kết Luận 62

5.2Kiến nghị 62

6 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

Tiếng Việt: 64

Tiếng Anh: 65

7 PHỤ LỤC 66

Phụ lục 1 Tính toán, lựa chọn động cơ cho hệ thống lưới cắt nắng 66

xi

1.1 Sơ đồ truyền động: 66

1.2 Tính toán chọn động cơ điện 66

Phụ lục 2 Tính toán chọn bơm hệ thống 69

2.1 Cơ sở tính toán và lựa chọn bơm phun sương 69

2.2 Công suất của bơm được tính 70

Phụ lục 3 Tính toán các thông số Cooling pad 73

3.1 Tính toán nhiệt độ không khí sau khi qua tấm trao đổi nhiệt (CeLPad) 73

3.2 Tính toán lượng nước bay hơi 74

3.3 Tính chọn công suất máy bơm và lượng nước cấp bổ sung 75

3.4 Tính toán lượng nước cấp bổ sung F 75

3.5 Tính toán lượng nước được phân phối cho các tấm trao đổi nhiệt 75

3.6 Tính toán công suất nước của máy bơm 76

Phụ lục 4 Chương trình điều khiển PLC S7-200 79

4.1 Chương trình chính 79

4.2 Chương trình hạ nhiệt 80

4.3 Chương trình tăng nhiệt 82

4.4 Chương trình hạ ẩm 83

4.5 Chương trình tăng ẩm 84

Phụ lục 5 Dữ liệu chương trình WinCC 85

5.1 Chương trình thiết lập nhiệt độ 85

xii

5.2 Chương trình thiết lập khi mở giao diện nhà kính 86

5.3 Chương trình điều khiển từ WinCC 87

5.4 Chương trình thông báo khi cài đặt ẩm độ không thích hợp 88

5.5 Chương trình báo hiệu trạng thái hoạt động của động cơ 88

5.6 Chương trình hiển thị trạng thái phun sương 89

5.7 Chương trình chế độ nhấp nháy 89

Phụ lục 6 Kết quả khảo nghiệm các giải pháp làm mát ngày 21/10/2010 90

Phụ lục 7 Kết quả thiết kế bộ phận giám sát với matlab 91

7.1 Khối nguồn 91

7.2 Khối chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang số 92

7.3 Khối hiển thị ra bên ngoài 93

7.4 Khối xử lý trung tâm (Vi điều khiển) 94

7.5 Khối bắt tay giao tiếp giữa vi điều khiển và máy tính 94

7.6 Nguyên lý hoạt động của toàn mạch 95

Phụ lục 8 Chương trình cho vi điều khiển 97

Phụ lục 9 Một số kết quả khảo nghiệm từ ngày 12/10 đến ngày 26/10/2010 109

Phụ lục 10 Kết quả khảo nghiệm ảnh hưởng của thông thoáng ngày 26/10/2010 111 Phụ lục 11 Kết quả khảo nghiệm ảnh các giải pháp làm mát ngày 20/10/2010 117

Phụ lục 12 Một số hình ảnh kết quả chế tạo và khảo nghiệm 121

xiii

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 4.1 Các thiết bị chính của hệ thống điều khiển 47

Bảng 4.2 Các tính hiệu input và output của hệ thống điều khiển PLC 49

Bảng PL.1 Lưu lượng gió và loại tấm trao đổi 73

Bảng PL.2 Hệ số CD của các loại tấm CeLdek 75

Bảng PL.3 Kết quả khảo nghiệm được thực hiện ngày 26/10/2010 76

Bảng PL.6 Kết quả khảo nghiệm ngày 21/10/2010 90

Bảng PL.7 mã ASCII của các số tự nhiên từ 0 đến 9 97

Bảng PL9.1 Kết quả khảo nghiệm ngày 20/10/2010 109

Bảng PL9.2 Kết quả khảo nghiệm ngày 20/10/2010 110

Bảng PL9.3 Kết quả khảo nghiệm ngày 20/10/2010 110

Bảng PL 10.1 Mở toàn bộ màng che, đóng cửa thông thoáng, giăng lưới cắt nắng 111

Bảng PL 10.2 Mở toàn bộ màng che, mở cửa thông thoáng ½, giăng lưới cắt nắng 113

Bảng PL 10.3 Mở toàn bộ màng che, mở hết cửa thông thoáng, giăng lưới cắt nắng 115 Bảng PL11.1 Giải pháp làm mát Cooling pad ngày 20/10/2010 117

Bảng PL11.2 Giải pháp làm mát phun sương ngày 20/10/2010 119

xiv

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Nhà kính hiện đại ở khu vực Silou, Đài loan 3

Hình 2.2 Nhà vòm với nhựa plastic ở AVRDC 4

Hình 2.3 Nhà lưới trồng rau ăn lá ở Silou, Đài Loan 4

Hình 2.4 Cấu trúc nhà kính 6

a Cấu trúc thông thoáng nhà kính cho vùng nhiệt đới 6

b Cấu trúc thông thoáng nhà kính cho vùng ôn đới 6

c Cấu trúc thông thoáng nhà kính cho vùng khí hậu lạnh 6

Hình 2.5 Mô hình biểu diễn các yếu tố tiểu khí hậu trong nhà lưới 7

Hình 2.6 a Mô hình biểu diễn nhiệt do bức xạ mặt trời 8

b Nguyên lý xác định nhiệt hấp thụ của cây trồng trong nhà kính 8

Hình 2.7 Biểu đồ trắc ẩm độ 11

Hình 2.8 Biểu đồ vùng gió tác động 13

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý thông thoáng cho nhà kính theo Hanan (1998) 14

Hình 2.10 Mô hình làm mát nhà kính 14

Hình 2.11 Lưới cắt nắng Aluminet 15

Hình 2.12 Vòi phun sương làm mát nhà kính 15

Hình 2.13 Làm mát kiểu cooling pad 16

Hình 2.14 Biểu đồ thể hiện vùng không phù hợp sử dụng cooling pad 16

Hình 2.15 a Thông thoáng tự nhiên b Thông thoáng cưỡng bức dùng quạt 17

Hình 2.16 Mô phỏng ảnh hưởng của thông thoáng đến phân bố nhiệt 17

Hình 2.17 Hệ thống quạt thông thoáng trong nhà kính 18

xv

Hình 2.18 Phân bố gió cưỡng bức nhờ bố trí quạt trong nhà kính 18

Hình 2.19 Cấu trúc rèm mái và rèm hông 19

Hình 2.20 Hệ thống nhà kính 244 m2 được lắp đặt Bình Sơn 23

Hình 2.21 Mô hình hệ thống nhà lưới 400m2được ứng dụng tại Thanh Hoá 24

Hình 2.22 Sơ đồ hệ thống điều khiển môi trường nhà kính dạng lập trình 29

Hình 2.23 Giao diện điều khiển bởi lập trình Visual Basic 29

Hình 3.1 Giải thuật điều khiển nhiệt độ, ẩm độ 33

Hình 3.2 Giải thuật điều khiển nhiệt độ, ẩm độ 34

Hình 3.3 Thiết bị đo Ulab 006p CMA sử dụng để thu thập số liệu 36

Hình 3.4 Cảm biến nhiệt độ 37

Hình 3.5 Cảm biến ẩm độ 38

Hình 3.6 Thiết bị đo bức xạ mặt trời 38

Hình 3.7 Biểu đồ trắc ẩm và nhiệt kế bầu ướt, bầu khô 39

Hình 3.8 Vị trí đặt các lớp cảm biến đo trên mô hình 40

Hình 3.9 Vị trí đặt cảm biến đo trên mô hình 40

Hình 4.1 Mô hình nhà kính phục vụ khảo nghiệm 41

Hình 4.2 Cơ cấu điều khiển mái thông thoáng 42

Hình 4.3 Bộ phận chắn sáng thông qua đóng mở lưới cắt nắng 43

Hình 4.4 Sơ đồ chiếu đứng bộ phận phun sương 45

Hình 4.5 Sơ đồ chiếu bằng bộ phận phun sương 45

Hình 4.6 Bộ phận làm mát Cooling pad 46

Hình 4.7 Sơ đồ khối của bộ điều khiển bằng PLC và giám sát trên WinCC 47

Hình 4.8 Mạch điều khiển (nối PLC S7-200) 48

Hình 4.9 Giao diện chương trình điều khiển trên WinCC 50

xvi

Hình 4.10 Giao diện thiết lập nhiệt độ, ẩm độ giới hạn trên và dưới 51

Hình 4.11 Thông tin hoạt động của cơ cấu chấp hành 51

Hình 4.12 Giao diện lưu trữ dữ liệu và đồ thị theo thời gian 52

Hình 4.13 Sơ đồ khối mạch thu thập và hiển thị dữ liệu 52

Hình 4.14 Giao diện biểu diễn giải pháp thông thoáng 53

Hình 4.15 Giao diện biểu diễn giải pháp làm mát Cooling pad 53

Hình 4.16 Giao diện biểu diễn giải pháp làm mát Phun sương 54

Hình 4.17 Giao diện mô phỏng nhiệt độ nhà kính trước thông thoáng 55

Hình 4.18 Giao diện mô phỏng nhiệt độ nhà kính lớp1 sau thông thoáng 55

Hình 4.19 Giao diện mô phỏng nhiệt độ nhà kính lớp2 sau thông thoáng 56

Hình 4.20 Giao diện mô phỏng nhiệt độ nhà kính lớp 3 sau thông thoáng 56

Hình 4.21 Biểu đồ so sánh nhiệt độ các giải pháp làm mát theo thời gian 57

Hình 4.22 Biểu đồ so sánh các giải pháp làm mát phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ không khí bên ngoài nhà kính 58

Hình 4.23 Biểu đồ so sánh các giải pháp làm mát phụ thuộc vào bức xạ và ẩm độ tương đối không khí bên ngoài nhà kính 59

Hình 4.24 Biểu đồ so sánh các giải pháp làm mát phụ thuộc vào nhiệt độ và ẩm độ tương đối không khí bên ngoài nhà kính 60

Hình PL.1 Sơ đồ truyền động hệ thống cắt nắng 66

Hình PL.2 Biểu đồ tra lượng ẩm trong không khí 74

Hình PL.3 Biểu đồ sự giảm nhiệt độ trong ngày hệ thống làm mát Cooling pad 77

Hình PL.5 Chế tạo lắp đặt hệ thống làm mát Cooling pad 78

Hình PL7.1 Sơ đồ khối mạch thu thập và hiển thị giá trị 91

Hình PL7.2 Sơ đồ khối mạch thu thập và hiển thị dữ liệu 91

Hình PL7.3 Sơ đồ mạch chuyển đổi ADC 92

xvii

Hình PL7.4 Sơ đồ mạch hiển thị giá trị cảm biến ra bên ngoài 93

Hình PL.9 Sơ đồ mạch khối xử lý trung tâm 94

Hình PL.10 Sơ đồ mạch giao tiếp máy tính 95

Hình PL12.1 Lắp đặt bơm và béc phun sương 121

Hình PL12.2 Chế tạo và lắp đặt Cooling pad 121

Hình PL12.3 Chế tạo và lắp đặt lưới cắt nắng 122

Hình PL12.4 Mô hình khảo nghiệm trên Win CC và S7-200 122

Hình PL12.5 Khảo nghiệm vận tốc gió Cooling pad 122

xviii

DANH SÁCH LIỆT KÊ CÁC KÝ HIỆU

T 0C Nhiệt độ thực

T1 - Nhiệt độ cài đặt mức dưới trong nhà kính

T2 - Nhiệt độ cài đặt mức trên trong nhà kính

RH % Ẩm độ thực

RH1 - Ẩm độ cài đặt mức dưới trong nhà kính

RH2 - Ẩm độ cài đặt mức trên trong nhà kính

Rdir W/m2

Nhiệt bức xạ trực tiếp từ mặt trời Rlw - Nhiệt bức xạ có bước dài

Hs - Nhiệt đối lưu giữa cây trồng và không khí

Rref - Nhiệt bức xạ có bước ngắn

Hw - Ẩn nhiệt thoát ra từ cây

P W Năng lượng quang hợp

M W Năng lượng thải ra từ hô hấp

xix

P N Phản lực tiếp tuyến tác dụng lên trục

nt Vòng/ph Số vòng quay của trục dẫn

D Mm Đường kính bánh xích kéo lưới

N kW Công suất truyền trên trục thu –giăng màn

η % Hiệu suất truyền chung

Nct W Công suất cần thiết

η1 % Hiệu suất bộ truyền xích

η2 % Hiệu suất bộ truyền bánh răng trụ

η3 % Hiệu suất 1 cặp ổ lăn

ic Tỷ số truyền chung của cả hệ dẫn động

Z1 Số răng của đĩa xích dẫn

Z2 Số răng của đĩa xích bị dẫn

xx

dc1 Mm Đường kính vòng chia xích dẫn

dc2 Mm Đường kính vòng chia đĩa xích bị dẫn

Q m3/s Lưu lượng của bơm

Ntl W Công suất thủy lực

Là trọng lượng riêng của chất lỏng

H mH2O Cột áp toàn phần của bơm

hw1 - Tổn thất trên 2 đoạn ống mền 21

hw2 - Tổn thất trên các đoạn ống 34

Λ Niuton Là hệ số ma sát

pa Pa Áp suất khí quyển

H M Chiều cao tấm CeLpad

D M Chiều dày tấm CeLpad

t1db 0C Nhiệt độ bầu khô môi trường

t1wb 0C Nhiệt độ bầu ướt môi trường

V m/s Vận tốc gió

ΔP Pa Độ giảm áp suất

1

Chương 1

ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Dẫn nhập

Với xu hướng công nghiệp hoá, hiện đại hoá vào Nông nghiệp Một trong những hướng công nghiệp hoá nông nghiệp là áp dụng hình thức sản xuất kiểu công nghiệp tức là thực hiện thâm canh hiệu quả cao và bền vững bằng phương thức sản xuất nông nghiệp hiện đại, sản xuất quanh năm không phụ thuộc vào điều kiện khí hậu môi trường Để đáp ứng được mục tiêu này nhất thiết các cây trồng phải được trồng trong nhà trồng, trong đó hệ thống thiết bị điều khiển tiểu khí hậu trong nhà trồng nhằm tạo ra môi trường tốt cho cây trồng phát triển là yếu tố quyết định Ứng dụng kỹ thuật trồng cây trong nhà lưới, nhà kính sẽ mang lại hiệu quả thiết thực cho người sản xuất cũng như nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp Việc nghiên cứu điều khiển tự động tiểu khí hậu trong nhà lưới, nhà kính là rất cần thiết và có ý nghĩa lớn góp phần hạ giá thành thiết bị, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm

Hiện nay trên thế giới có nhiều nước đã ứng dụng thành công tự động hoá vào sản xuất nông nghiệp và họ đã đạt được những kết quả rất cao về năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp

Ở Việt Nam ứng dụng rất rộng rãi các mô hình nhà lưới với cấu trúc, hình dạng, kết cấu khác nhau phù hợp với điều kiện khí hậu của từng vùng Việc nhập các mẫu nhà lưới của nước ngoài ứng dụng ở nước ta chưa phát huy được tính ưu việt do không phù hợp với điều kiện khí hậu, giá thành cũng như chi phí cho quản

lý vận hành việc nghiên cứu lựa chọn, cải tiến các mẫu nhà lưới của các nước cho

các mô hình ngoại nhập Chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng và

điều khiển tự động các yếu tố tiểu khí hậu trong hệ thống nhà kính”

Kết quả nghiên cứu nhằm góp phần thuận tiện trong việc thiết kế, chế tạo và vận hành điều khiển tự động tiểu khí hậu trong hệ thống nhà kính để từ đó làm tăng năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp chất lượng cao

3

Chương 2 TỔNG QUAN 2.1 Các kiểu cấu trúc bảo vệ

- Nhà kính (Green houses)

- Nhà nhựa plastic (Plastic houses)

- Nhà lưới (Screen houses)

2.1.1 Nhà kính (Green houses)

Cấu trúc nhà kính như hình 2.1, khung nhà làm bằng thép không rỉ hay hợp kim nhôm, mái che là những tấm lợp bằng nhựa cứng (transparentt rigid plates) Những tấm lợp này có thể làm bằng kính sợi tổng hợp (fiberglass), hữu cơ tổng hợp (acrylic), hay carbon tổng hợp (polycarbonate)

Hình 2.1 Nhà kính hiện đại ở khu vực Silou, Đài loan

4

2.1.2 Nhà nhựa plastic (Plastic houses)

Cấu trúc nhà nhựa plastic như hình 2.2, được lấy từ cấu trúc nhà kính, rất linh động phần tấm lợp bên trên, bốn phía vách có thể cuốn chừa trống chân tạo thông thoáng

Hình 2.2 Nhà vòm với nhựa plastic ở AVRDC 2.1.3 Nhà lưới (Screen houses)

Cấu trúc nhà lưới như hình 2.3, tương tự nhà nhựa plastic, tuy nhiên nhựa lastic thay thế bằng lưới nylon lợp trên nóc và các phía xung quanh Nhà lưới có tác dụng như là một hàng rào vật lý nhằm ngăn ngừa hầu hết các côn trùng gây hại

Hình 2.3 Nhà lưới trồng rau ăn lá ở Silou, Đài Loan

- Thích nghi với dải rộng các loại cây trồng

- Kích thước: chiều cao, chiều rộng, chiều dài & Số nhịp nhà kính, hành lang

- Kiểu thông gió

- Kiểu che phủ

- Thải nhiệt dư

Giá thể và máng giá thể

- Hệ thống điều khiển khí hậu và tưới có phân bón

Thông thường, nhà kính cho khí hậu nóng nhiệt đới như hình 2.4a, có cấu trúc thông thoáng cao, tạo luồng không khí đối lưu tự nhiên làm hạ nhiệt độ và ẩm độ tương đối trong nhà Nhà kính cho vùng khí hậu ôn đới ấm như hình 2.4b, có cấu trúc mái xuôi theo hướng gió, ngăn bớt một phần luồng khí lạnh nhưng vẫn tạo điều kiện thông thoáng đối lưu tự nhiên Nhà kính cho vùng khí hậu lạnh như hình 2.4c, thường có cấu trúc che kín, giữ ấm và sưởi ấm cho cây trồng, có mái điều khiển thông thoáng linh hoạt để hạ ẩm độ tương đối trong nhà

6

Ngoài ra, đối với cấu trúc nhà kính vùng nhiệt đới, cần được quan tâm đến các yêu cầu như:

- Máng nước có góc nghiêng lớn, tạo điều kiện thoát nước dễ dàng

- Thông gió mái và hông nhà kính

- Chịu được gió bão mạnh

- Tăng khả năng nhận ánh sáng xuyên qua cho cây trồng

- Hệ thống thoát nước tối ưu

- Giảm khả năng gây bệnh cho cây trồng do ẩm, nhiệt, ánh sáng, CO2

7

2.3 Yêu cầu các tiểu khí hậu trong nhà kính

Điều kiện môi trường trong nhà kính bao gồm các yếu tố chính như nhiệt độ,

độ ẩm, ánh sáng và độ thông thoáng Ngoài ra, cây trồng còn chịu ảnh hưởng của các tính chất của giá thể và các tổ chức hữu cơ khác Nhà kính có thể tạo môi trường tiểu khí hậu tối ưu cho cây trồng qua việc khống chế các yếu tố chính như nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng và CO2 Các yếu tố tiểu khí hậu thể hiện như hình 2.5

Hình 2.5 Mô hình biểu diễn các yếu tố tiểu khí hậu trong nhà lưới

Nhiệt độ

Mỗi loại rau, hoa đều yêu cầu một giới hạn nhiệt độ để sinh trưởng và phát triển Hiệu suất quang hợp của hầu hết các loại rau đều dừng lại ở nhiệt độ là 300C Một số loài rau thực hiện quang hợp có hiệu quả ở 12 - 240C, trong khi một số loại khác lại quang hợp tốt ở nhiệt độ từ 18 - 240C Ở nhiệt độ thích hợp đồng thời được cung cấp đầy đủ nước và dinh dưỡng thì cây có thể phát triển nhanh nhất Nhiệt độ quá cao và quá thấp đều làm cho cây dừng sinh trưởng và có thể bị chết ở nhiệt độ thấp (00C) và nhiệt độ cao (400C) Mỗi loài rau, hoa đều gặp phải ba ngưỡng nhiệt

độ gồm nhiệt độ thích hợp, nhiệt độ thấp nhất và nhiệt độ cao nhất Yêu cầu của rau đối với nhiệt độ luôn thay đổi theo yếu tố môi trường như ánh sáng, độ ẩm, nồng độ

CO2 trong không khí, chất dinh dưỡng trong đất và các điều kiện khác Mỗi loài rau, hoa đều gặp phải ba ngưỡng nhiệt độ gồm nhiệt độ thích hợp, nhiệt độ thấp nhất và nhiệt độ cao nhất Trong quá trình nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ với cây rau, Mac-côp (1957) đã đưa ra công thức: T = t ± 70C (2.1)

8

Trong đó: T- Nhiệt độ thích hợp nhất cho sự sinh trưởng của các loại rau

t - Nhiệt độ thích hợp cho các loại rau sinh trưởng trong ngày râm Theo Mac-côp (1957), nhiệt độ thích hợp cho một số loại rau sinh trưởng trong những ngày râm như sau:

- Dưa hấu, bí ngô, bí xanh, dưa bở, mướp: 250C

- Dưa chuột, cà chua, ớt, cà, đậu côve, bầu: 220C

- Hành tây, kiệu, tỏi, cần: 190C

- Khoai tây, đậu Hà-lan, xàlach, cà rốt, cần tây: 160C

- Cải bắp, cải củ, cải dầu: 130C

t + 70C là nhiệt độ thích hợp cho cây sinh trưởng về ban đêm và cây vừa mọc khỏi mặt đất Yêu cầu của rau đối với nhiệt độ luôn thay đổi theo yếu tố môi trường như ánh sáng, độ ẩm, nồng độ CO2 trong không khí, chất dinh dưỡng trong đất và các điều kiện khác Nếu nhiệt độ quá cao ta phải hạ nhiệt độ xuống bằng cách phun ẩm (khi phun ẩm nhiệt độ tại mặt lá của cây trồng có thể giảm nhiệt độ từ 60C - 80C Yêu cầu của cây rau với nhiệt độ luôn thay đổi tuỳ theo từng thời kỳ sinh trưởng và phát triển

Hình 2.6 a Mô hình biểu diễn nhiệt do bức xạ mặt trời

b Nguyên lý xác định nhiệt hấp thụ của cây trồng trong nhà

Hs : nhiệt đối lưu giữa cây trồng và không khí

Hw : ẩn nhiệt thoát ra từ cây

P : năng lượng quang hợp

M : năng lượng thải ra từ hô hấp

S : năng lượng tích tụ trên cây trồng Theo Bùi Hải (2004), nhiệt lượng do bức xạ mặt trời gây nên trong nhà kính được

(2.4)

t N.ef: nhiệt độ không khí ngoài trời trên mái thực

t NT : nhiệt độ không khí trong phòng

tN: là nhiệt độ ngoài trời

R

U

αα

1 1

αT: Hệ số tỏa nhiệt của không khí trong phòng

Lượng nhiệt truyền qua thành vách do thẩm thấu qua kết cấu bao che chủ yếu do chênh lệch nhiệt độ

Q2 = A.U.Δt [W] (2.6)

Δt = tN-tT;

Với tN là nhiệt độ ngoài trời và tT là nhiệt độ cây trồng trong nhà kính

Tổng lượng nhiệt cần phải khử để thông thoáng cho nhà kính là:

Ks – hệ số phụ thuộc theo mùa trong năm Mùa hè Ks = 0,97 mùa đông Ks= 1

h và θ - tương ứng là góc phương vị mặt trời, [độ]

F – diện tích bề mặt nhận bức xạ (theo phương nằm ngang), [m2]

εs – hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời của bề mặt nhận bức xạ

11

k – hệ số truyền nhiệt qua kết cấu bao che tính với Δt bình thường, [W/m2.0K.]

αN – hệ số toả nhiệt từ bề mặt bao che tới không khí ngòai trời, [W/m2.0K.]

Nhiệt truyền qua thành vách do thẩm thấu qua kết cấu bao che chủ yếu do chênh lệch nhiệt độ

Qt = Σki Fi Δt [W] (2.9) Tổng lượng nhiệt cần phải xử lý thông thoáng cho nhà kính là:

Q = Qbx + Qt [W] (2.10) Đây chính là lượng nhiệt lớn nhất truyền qua kết cấu bao che do bức xạ mặt trời và chênh lệch nhiệt độ vào trong nhà, cần phải khử đi

Ngòai ra còn nhiều các thành phần nhiệt khác không đáng kể nên cho phép bỏ qua

sẽ làm cho cây bị khô do

hiện tượng chênh lệch áp

suất riêng phần của hơi

Ngược lại ẩm độ không khí

quá cao sẽ làm cho cây trồng

trong nhà kính dễ bị bệnh

độ ánh sáng từ 10.000 lux - 20.000 lux, khi đó sẽ cho năng suất cao và chất lượng tốt Trong ánh sáng tán xạ có nhiều thành phần ánh sáng đỏ và lam tím Chất diệp lục hấp thụ ánh sáng đỏ nhiều nhất đến là ánh sáng lam tím Ánh sáng lam tím còn làm tăng hàm lượng vitamin trong rau làm tăng chất lượng rau

Vì ánh sáng thay đổi sẽ làm diễn biến các quá trình quan trọng như quang tổng hợp, sự nảy mầm của hạt, sự lớn lên của lá, sự thoát hơi nước và sự ra hoa.v.v… ánh sáng đầy đủ sẽ làm tăng bề dầy của mô, tăng hàm lượng diệp lục, thúc đẩy quá trình quang hợp Trái lại, trong điều kiện thiếu ánh sáng cây sinh trưởng khó khăn, hàm lượng diệp lục giảm, thịt lá mềm và xốp, gian bào chứa đầy nước, do đó làm giảm khả năng chống chịu với điều kiện bất lợi Quá trình quang hợp của cây bị ngừng ở cường độ ánh sáng 4,31 lux Điểm bù sáng của nhiều loại rau là 1080 lux

Thông thoáng

Làm loãng không khí có chứa hơi nước và các chất gây độc hại do phân, cây trồng thải vào không khí Tạo ra sự trao đổi không khí bên trong và bên ngoài nhà kính, giúp cây trồng hô hấp, quang hợp và sinh trưởng trong điều kiện tốt nhất Khi gió thổi vào nhà kính sẽ tạo ra trên mặt nhà những trị số áp suất khác nhau Áp suất tuyệt đối trên những mặt nhà khi có gió thổi vào sẽ được biểu diễn bằng công thức:

P = Pkq + Pgió kG/m2 (2.11) Trong đó: - Pkq áp suất khí quyển, kG/m2

- Pgió áp suất do gió gây ra

13

γ

2

2

g

V

pgió = g , kG/m2 (2.12) Trong đó: - Vgió : vận tốc gió thổi, m/s

- γ : trọng lượng riêng của không khí, kG/m3

- g : gia tốc trọng trường, m/s2

- k : hệ số khí động của gió trên bề mặt nhà

(k là hệ số được xác định bằng thực nghiệm, nó không phụ thuộc vào vận tốc gió

mà chỉ phụ thuộc vào góc gió thổi α so với trục của nhà)

Đầu gió: kmax = 0,8 thường lấy k = 0,5 – 0,6

vùng II - vùng quẩn gió, trong vùng này áp suất gió âm;

vùng III - vùng hãm gió, áp suất gió dương

14

Mô hình thông thoáng cho nhà kính được Hanan (1998), đưa ra theo hai kiểu dòng không khí thổi ngang theo nhà lưới, dòng không khí thổi dọc theo nhà lưới được thể hiện như hình 2.9

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý thông thoáng cho nhà kính theo Hanan (1998)

™ Giải pháp làm mát nhà kính

Hình 2.10 Mô hình làm mát nhà kính

Nhà lưới nhà kính thường được làm mát bằng các giải pháp như chắn sáng bằng lưới cắt nắng phủ nhôm, phun sương, làm mát bằng hệ thống tạo ẩm cooling

15

pad, tăng thông thoáng Tùy theo điều kiện cụ thể mà một hay tất cả các phương án

có thể được bao gồm trong cấu trúc nhà kính

¾ Màng phủ giảm sáng và lưới cắt nắng aluminet được thể hiện như Hình 2.11

Hình 2.11 Lưới cắt nắng aluminet

Lưới chắn sáng aluminet có khả năng làm giảm nhiệt do bức xạ ánh sáng gây ra

¾ Vòi phun làm mát coolnet của hãng Netafim thể hiện hình 2.12

Hình 2.12 Vòi phun sương làm mát nhà kính

Lưới cắt nắng aluminet

16

¾ Hệ thống làm mát Cooling pad hình 2.13

Hình 2.13 Làm mát kiểu cooling pad

Nguyên lý làm mát kiểu cooling pad là làm tăng độ ẩm bên trong nhà kính nhờ luồng không khí khô từ bên ngoài đi qua tấm đệm phun ẩm, do vậy làm giảm nhiệt

độ bên trong nhà kính Tuy nhiên, phương pháp này làm tăng ẩm trong nhà nên dễ gây bệnh cho cây, do đó không phù hợp cho vùng có ẩm độ tương đối không khí cao (RH > 80%), được thể hiện như hình 2.14

Hình 2.14 Biểu đồ thể hiện vùng không phù hợp sử dụng cooling pad

17

2.4 Phương pháp thông thoáng trong nhà kính

Có hai phương pháp chính thông thoáng cho nhà kính là thông thoáng tự nhiên (natural ventilation) như hình 2.15.a và thông thoáng cưỡng bức (force ventilation) như hình 2.15.b

(a) (b)

Hình 2.15 a Thông thoáng tự nhiên b Thông thoáng cưỡng bức dùng quạt

Thông thoáng hợp lý không những giảm nhiệt độ trong nhà mà còn làm điều phân bố nhiệt trong nhà hình 2.16

Hình 2.16 Mô phỏng ảnh hưởng của thông thoáng đến phân bố nhiệt

18

Hình 2.17 Hệ thống quạt thông thoáng trong nhà kính

Theo mô hình của Netafim, quạt thông gió là loại quạt hướng trục có lưu lượng 40 m3/phút, công suất 1 - 1,5 kWh Số lượng quạt được tính theo công thức sau:

Q

V I

Trong đó: N: số quạt cần thiết

I : Lượng gió cần thiết trong khuôn viên nhà (m3) V: Yếu tố thông thoáng (lần/giờ hoạt động quạt) Q: Lưu lượng quạt (m3/giờ)

Quạt được bố trí như hình 2.18 tạo đối lưu cưỡng bức làm giảm nhiệt độ và ẩm độ trong nhà

Hình 2.18 Phân bố gió cưỡng bức nhờ bố trí quạt trong nhà kính